Վակուումային արժեքը. Ի՞նչ է ֆիզիկական վակուումը: Եթեր հասկացության տեսական հիմնավորումը
Շատ հաճախ մեզ մոտ են գալիս մարդիկ, ովքեր ցանկանում են գնել վակուումային պոմպ, բայց քիչ են պատկերացնում, թե ինչ է վակուումը:
Փորձենք պարզել, թե ինչ է դա:
Ըստ սահմանման՝ վակուումը նյութից ազատ տարածություն է (լատիներեն «vacuus» բառից՝ դատարկ):
Վակուումի մի քանի սահմանումներ կան՝ տեխնիկական վակուում, ֆիզիկական վակուում, տիեզերական վակուում և այլն։
Մենք կդիտարկենք տեխնիկական վակուումը, որը սահմանվում է որպես խիստ հազվագյուտ գազ:
Եկեք նայենք մի օրինակ, թե ինչ է վակուումը և ինչպես է այն չափվում:
Մեր մոլորակի վրա կա մթնոլորտային ճնշում՝ որպես մեկ (մեկ մթնոլորտ): Այն փոխվում է կախված եղանակից, բարձրությունից և ծովի մակարդակից, բայց մենք դա հաշվի չենք առնի, քանի որ դա որևէ կերպ չի ազդի վակուում հասկացության ըմբռնման վրա:
Այսպիսով, մենք ունենք ճնշում երկրի մակերևույթի վրա, որը հավասար է 1 մթնոլորտի։ 1 մթնոլորտից ցածր ամեն ինչ (փակ անոթում) կոչվում է տեխնիկական վակուում։
Վերցնենք անոթ և փակենք հերմետիկ կափարիչով։ Նավում ճնշումը կկազմի 1 մթնոլորտ։ Եթե մենք սկսենք օդը մղել անոթից, ապա դրա մեջ կառաջանա վակուում, որը կոչվում է վակուում։
Դիտարկենք մի օրինակ՝ ձախ անոթում կա 10 շրջան։ Թող լինի 1 մթնոլորտ։
«Դուրս հանել» կեսը՝ մենք ստանում ենք 0,5 ատմ, թողնում ենք մեկը՝ ստանում ենք 0,1 ատմ:
Քանի որ նավի մեջ կա միայն մեկ մթնոլորտ, ապա առավելագույն հնարավոր վակուումը, որը մենք կարող ենք ստանալ (տեսականորեն) զրոյական մթնոլորտ է:
«Տեսականորեն», քանի որ Անոթից օդի բոլոր մոլեկուլները բռնել գրեթե անհնար է։
Հետևաբար, ցանկացած նավի մեջ, որտեղից օդը (գազը) դուրս է մղվել, դրա մի նվազագույն քանակությունը միշտ մնում է: Սա կոչվում է «մնացորդային ճնշում», այսինքն՝ այն ճնշումը, որը մնում է նավի մեջ գազերը դրանից դուրս մղելուց հետո։
Կան հատուկ պոմպեր, որոնք կարող են հասնել մինչև 0,00001 Պա խորը վակուումի, բայց դեռևս ոչ զրոյի:
Սովորական կյանքում 0,5 - 10 Պա (0,00005-0,0001 ատմ) ավելի խորը վակուում հազվադեպ է պահանջվում:
Վակուումի չափման մի քանի տարբերակ կա՝ կախված հղման կետի ընտրությունից.
1. Միավորը ընդունված է որպես մթնոլորտային ճնշում: Մեկից ներքեւ ամեն ինչ վակուում է:
Այսինքն՝ վակուումաչափի սանդղակը 1-ից 0 ատմ է (1…0,9…0,8…0,7…..0.2…0.1….0):
2. Մթնոլորտային ճնշումը վերցվում է զրո: Այսինքն՝ վակուում - բոլոր բացասական թվերը 0-ից փոքր են և մինչև -1:
Այսինքն՝ վակուումաչափի սանդղակը 0-ից -1 է (0, -0.1...-0.2....,-0.9,...-1):
Բացի այդ, կշեռքները կարող են լինել kPa, mBar, բայց այս ամենը նման է մթնոլորտային մասշտաբներին:
Նկարում պատկերված են տարբեր մասշտաբներով վակուումաչափեր, որոնք ցույց են տալիս նույն վակուումը.
Վերևում ասվածից պարզ է դառնում, որ վակուումի մեծությունը չի կարող ավելի մեծ լինել, քան մթնոլորտային ճնշումը։
Գրեթե ամեն օր մեզ հետ կապվում են մարդիկ, ովքեր ցանկանում են ստանալ -2, -3 ատմ վակուում և այլն։
Եվ նրանք շատ են զարմանում, երբ պարզում են, որ դա անհնար է (ի դեպ, նրանցից ամեն վայրկյան ասում է, որ «դու ինքդ ոչինչ չգիտես», «բայց քո հարևանի հետ այդպես է» և այլն և այլն):
Փաստորեն, բոլոր այս մարդիկ ցանկանում են մասերը կաղապարել վակուումի տակ, բայց այնպես, որ մասի վրա ճնշումը լինի ավելի քան 1 կգ/սմ2 (1 մթնոլորտ):
Դրան կարելի է հասնել՝ արտադրանքը թաղանթով ծածկելով, դրա տակից օդը դուրս մղելով (այս դեպքում, կախված ստեղծված վակուումից, առավելագույն ճնշումը կլինի 1 կգ/սմ2 (1 ատմ=1 կգ/սմ2)), այնուհետև այդ ամենը դնելով ավտոկլավի մեջ, որտեղ ավելորդ ճնշում կստեղծվի: Այսինքն՝ 2 կգ/սմ2 ճնշում ստեղծելու համար բավական է ավտոկլավում ստեղծել 1 ատմ ավելցուկային ճնշում։
Այժմ մի քանի խոսք այն մասին, թե քանի հաճախորդ է չափում վակուումը մեր գրասենյակում Ampika Pumps LLC ցուցահանդեսում.
միացրեք պոմպը, ձեր մատը (ափը) դրեք վակուումային պոմպի ներծծող անցքի վրա և անմիջապես եզրակացություն արեք վակուումի մեծության մասին։
Սովորաբար, բոլորը սիրում են համեմատել խորհրդային վակուումային պոմպը 2NVR-5DM և նրա անալոգային VE-2100, որը մենք առաջարկում ենք:
Նման ստուգումից հետո նրանք միշտ նույն բանն են ասում՝ 2NVR-5DM-ի վակուումը ավելի բարձր է (չնայած իրականում երկու պոմպերն էլ նույն վակուումային պարամետրերն են արտադրում):
Ո՞րն է այս արձագանքի պատճառը: Եվ ինչպես միշտ՝ ֆիզիկայի օրենքների և ընդհանրապես ինչ ճնշումների մասին չիմացության մեջ։
Մի փոքր կրթական նախադրյալ. «P» ճնշումը ուժ է, որը գործում է որոշակի մակերեսի վրա՝ ուղղված այս մակերեսին ուղղահայաց («F» ուժի հարաբերակցությունը «S» մակերեսի մակերեսին), այսինքն՝ P = F/ Ս.
Պարզ ասած, դա մակերեսի վրա բաշխված ուժ է:
Այս բանաձևից երևում է, որ որքան մեծ է մակերեսի մակերեսը, այնքան ցածր կլինի ճնշումը։ Եվ նաև այն ուժը, որն անհրաժեշտ է ձեռքը կամ մատը պոմպի մուտքից բարձրացնելու համար, ուղիղ համեմատական է մակերեսի մակերեսին (F=P*S):
2NVR-5DM վակուումային պոմպի ներծծող անցքի տրամագիծը 25 մմ է (մակերեսը 78,5 մմ2):
VE-2100 վակուումային պոմպի ներծծող անցքի տրամագիծը 6 մմ է (մակերեսը՝ 18,8 մմ2):
Այսինքն՝ ձեռքը 25 մմ տրամագծով անցքից բարձրացնելու համար անհրաժեշտ է 4,2 անգամ ավելի մեծ ուժ, քան 6 մմ տրամագծով անցքի համար (նույն ճնշման դեպքում)։
Ահա թե ինչու, երբ վակուումը չափվում է մատներով, նման պարադոքս է ստացվում։
Ճնշումը «P», այս դեպքում, հաշվարկվում է որպես մթնոլորտային ճնշման և նավի մնացորդային ճնշման տարբերությունը (այսինքն՝ պոմպի վակուումը):
Ինչպե՞ս հաշվարկել մասի սեղմման ուժը մակերեսի վրա:
Շատ պարզ. Դուք կարող եք օգտագործել վերը տրված բանաձևը, բայց եկեք փորձենք բացատրել այն ավելի պարզ:
Օրինակ, ասենք, պետք է պարզել, թե ինչ ուժով կարելի է սեղմել 10x10 սմ չափսի մի մասը, երբ դրա տակ VVN 1-0,75 պոմպով վակուում է ստեղծվում։
Մենք վերցնում ենք մնացորդային ճնշումը, որը ստեղծում է BBH շարքի այս վակուումային պոմպը:
Մասնավորապես, այս ջրի օղակաձև պոմպի համար VVN 1-0.75 այն 0.4 ատմ է:
1 մթնոլորտը հավասար է 1 կգ/սմ2:
Մասի մակերեսը 100 սմ2 է (10 սմ x 10 սմ):
Այսինքն, եթե դուք ստեղծեք առավելագույն վակուում (այսինքն, մասի վրա ճնշումը կլինի 1 ատմ), ապա մասը կսեղմվի 100 կգ ուժով։
Քանի որ մենք ունենք 0,4 ատմ վակուում, ճնշումը կլինի 0,4x100 = 40 կգ:
Բայց սա տեսականորեն, իդեալական պայմաններում, եթե չկա օդի արտահոսք և այլն։
Իրականում դա պետք է հաշվի առնել, և ճնշումը 20...40%-ով պակաս կլինի՝ կախված մակերեսի տեսակից, պոմպային արագությունից և այլն։
Այժմ մի քանի խոսք մեխանիկական վակուումաչափերի մասին:
Այս սարքերը ցույց են տալիս մնացորդային ճնշումը 0,05...1 ատմ միջակայքում:
Այսինքն՝ ավելի խորը վակուում չի ցուցադրի (միշտ ցույց կտա «0»)։ Օրինակ, ցանկացած պտտվող վակուումային պոմպում, երբ հասնում է դրա առավելագույն վակուումը, մեխանիկական վակուումաչափը միշտ ցույց կտա «0»: Եթե պահանջվում է մնացորդային ճնշման արժեքների տեսողական ցուցադրում, ապա անհրաժեշտ է տեղադրել էլեկտրոնային վակուումաչափ, օրինակ՝ VG-64:
Հաճախ հաճախորդները գալիս են մեզ, ովքեր վակուումի տակ ձևավորում են մասեր (օրինակ՝ կոմպոզիտային նյութերից պատրաստված մասեր՝ ածխածնային մանրաթել, ապակեպլաստե և այլն), դա անհրաժեշտ է, որպեսզի ձուլման ժամանակ գազը դուրս գա կապիչից (խեժից) և դրանով իսկ բարելավի նյութի հատկությունները։ պատրաստի արտադրանքը, ինչպես նաև հատվածը թաղանթով սեղմվել է կաղապարի վրա, որի տակից դուրս է մղվել օդը։
Հարց է առաջանում՝ ո՞ր վակուումային պոմպն օգտագործել՝ միաստիճան, թե երկաստիճան։
Նրանք սովորաբար մտածում են, որ քանի որ երկաստիճանի վակուումը ավելի բարձր է, մասերը ավելի լավն են լինելու։
Միաստիճան պոմպի համար վակուումը 20 Պա է, երկաստիճան պոմպի համար՝ 2 Պա։ Թվում է, թե քանի որ ճնշման տարբերությունը 10 անգամ է, ապա հատվածը շատ ավելի ամուր կսեղմվի։
Բայց արդյո՞ք սա իսկապես այդպես է:
1 ատմ = 100000 Պա = 1 կգ/սմ2:
Սա նշանակում է, որ թաղանթի ճնշման տարբերությունը 20 Պա և 2 Պա վակուումում կկազմի 0,00018 կգ/սմ2 (եթե շատ ծույլ չեք, կարող եք ինքներդ կատարել հաշվարկները):
Այսինքն՝ գործնականում տարբերություն չի լինի, քանի որ... 0,18 գ կռվան ուժի ավելացումը եղանակը չի փոխի:
Ինչպե՞ս հաշվարկել, թե որքան ժամանակ կպահանջվի վակուումային պոմպի համար վակուումային խցիկը տարհանելու համար:
Ի տարբերություն հեղուկների, գազերը զբաղեցնում են ողջ հասանելի ծավալը, և եթե վակուումային պոմպը դուրս է մղել վակուումային պալատի օդի կեսը, մնացած օդը նորից կընդլայնվի և կզբաղեցնի ամբողջ ծավալը:
Ստորև բերված է այս պարամետրը հաշվարկելու բանաձևը:
t = (V/S)*ln(p1/p2)*F, Որտեղ
t-ն այն ժամանակն է (ժամերով), որն անհրաժեշտ է վակուումային ծավալը ճնշումից p1-ից մինչև p2 մղելու համար
V - պոմպային տանկի ծավալը, մ3
S - վակուումային պոմպի աշխատանքային արագություն, մ3/ժամ
p1 - սկզբնական ճնշում պոմպացված կոնտեյներով, մբար
p2 - վերջնական ճնշում պոմպացված կոնտեյներով, մբար
ln - բնական լոգարիթմ
F - ուղղման գործակից, կախված է տանկի վերջնական ճնշումից p2.
- p2 1000-ից մինչև 250 մբար F=1
- p2 250-ից մինչև 100 մբ F=1,5
- p2 100-ից մինչև 50 մբ F=1,75
- p2 50-ից մինչև 20 մբ F=2
- p2 20-ից մինչև 5 մբ F=2,5
- p2 5-ից մինչև 1 մբ F=3
Մի խոսքով, վերջ:
Հուսով ենք, որ այս տեղեկատվությունը կօգնի ինչ-որ մեկին վակուումային սարքավորումների ճիշտ ընտրություն կատարել և ցույց տալ իր գիտելիքները մեկ բաժակ գարեջրի շուրջ...
Իր ծավալով իդեալական վակուումը գործնականում անհասանելի է, քանի որ վերջավոր ջերմաստիճանում բոլոր նյութերն ունեն ոչ զրոյական հագեցած գոլորշիների խտություն: Բացի այդ, շատ նյութեր (մասնավորապես հաստ մետաղ, ապակի և այլ անոթների պատերը) թույլ են տալիս գազերի միջով անցնել: IN մանրադիտակայինծավալների, սակայն իդեալական վակուումի հասնելը սկզբունքորեն հնարավոր է։
Որոշ բյուրեղների միկրոսկոպիկ ծակոտիներում և գերբարակ մազանոթներում բարձր վակուում է ձեռք բերվում արդեն մթնոլորտային ճնշման դեպքում, քանի որ ծակոտիի/մազանոթի տրամագիծը դառնում է ավելի փոքր, քան մոլեկուլի ազատ ուղին, որը նորմալ պայմաններում օդում հավասար է ~60 նանոմետրի: .
Հարկ է նշել, որ նույնիսկ կատարյալ վակուումում վերջավոր ջերմաստիճանում միշտ կա որոշակի ջերմային ճառագայթում (ֆոտոնների գազ): Այսպիսով, իդեալական վակուումում տեղադրված մարմինը վաղ թե ուշ ջերմային հավասարակշռության մեջ կմտնի վակուումային խցիկի պատերի հետ՝ ջերմային ֆոտոնների փոխանակման պատճառով։
Վակուումը լավ ջերմամեկուսիչ է; Ջերմային էներգիայի փոխանցումը դրանում տեղի է ունենում միայն ջերմային ճառագայթման շնորհիվ, բացառվում են կոնվեկցիան և ջերմային հաղորդունակությունը։ Այս հատկությունը օգտագործվում է ջերմամեկուսացման համար թերմոսներում (Dewar flasks), որը բաղկացած է կրկնակի պատերով կոնտեյներից, որի միջև տարածությունը տարհանված է:
Վակուումը լայնորեն կիրառվում է էլեկտրական վակուումային սարքերում՝ ռադիոխողովակներ (օրինակ՝ միկրոալիքային վառարանների մագնետրոններ), կաթոդային ճառագայթների խողովակներ և այլն։
Ֆիզիկական վակուում
Քվանտային ֆիզիկայում ֆիզիկական վակուումը հասկացվում է որպես քվանտացված դաշտի ամենացածր (հիմնական) էներգիայի վիճակ, որն ունի զրոյական իմպուլս, անկյունային իմպուլս և այլ քվանտային թվեր։ Ավելին, նման վիճակը պարտադիր չէ, որ համապատասխանի դատարկությանը. ամենացածր վիճակում գտնվող դաշտը կարող է լինել, օրինակ, քվազիմասնիկների դաշտը պինդ կամ նույնիսկ ատոմի միջուկում, որտեղ խտությունը չափազանց բարձր է։ Ֆիզիկական վակուումը կոչվում է նաև նյութից լիովին զուրկ տարածություն, որը լցված է այս վիճակում գտնվող դաշտով: Այս վիճակը բացարձակ դատարկություն չէ։ Դաշտի քվանտային տեսությունն ասում է, որ անորոշության սկզբունքի համաձայն՝ ֆիզիկական վակուումում վիրտուալ մասնիկներն անընդհատ ծնվում և անհետանում են. տեղի են ունենում այսպես կոչված զրոյական կետի դաշտի տատանումներ։ Որոշ կոնկրետ դաշտային տեսություններում վակուումը կարող է ունենալ ոչ տրիվիալ տոպոլոգիական հատկություններ: Տեսականորեն կարող են գոյություն ունենալ մի քանի տարբեր վակուա, որոնք տարբերվում են էներգիայի խտությամբ կամ այլ ֆիզիկական պարամետրերով (կախված օգտագործված վարկածներից և տեսություններից): Սիմետրիայի ինքնաբուխ խախտման ժամանակ վակուումի այլասերումը հանգեցնում է վակուումային վիճակների շարունակական սպեկտրի գոյությանը, որոնք միմյանցից տարբերվում են Գոլդսթոնի բոզոնների քանակով։ Տեղական էներգիայի նվազագույնը ցանկացած դաշտի տարբեր արժեքներով, որոնք էներգիայով տարբերվում են գլոբալ նվազագույնից, կոչվում են կեղծ վակուա. Նման վիճակները մետաստաբիլ են և հակված են քայքայվել էներգիայի արտազատման հետ մեկտեղ՝ անցնելով իսկական վակուում կամ հիմքում ընկած կեղծ վակուաներից որևէ մեկին:
Դաշտի տեսության այս կանխատեսումներից մի քանիսն արդեն հաջողությամբ հաստատվել են փորձի միջոցով: Այսպիսով, Կազիմիրի էֆեկտը և ատոմային մակարդակների Lamb տեղաշարժը բացատրվում են ֆիզիկական վակուումում էլեկտրամագնիսական դաշտի զրոյական կետի տատանումներով։ Ժամանակակից ֆիզիկական տեսությունները հիմնված են վակուումի մասին որոշ այլ գաղափարների վրա: Օրինակ, բազմակի վակուումային վիճակների առկայությունը (վերը նշված կեղծ վակուան) Մեծ պայթյունի գնաճային տեսության հիմնական հիմքերից մեկն է։
Կեղծ վակուում
Կեղծ վակուում- դաշտի քվանտային տեսության վիճակ, որը գլոբալ նվազագույն էներգիա ունեցող վիճակ չէ, բայց համապատասխանում է իր տեղական նվազագույնին։ Այս վիճակը կայուն է որոշակի ժամանակով (մետակայուն), բայց կարող է «թունել» իրական վակուումի վիճակի մեջ:
Էյնշտեյնի վակուումը
Էյնշտեյնի վակուումը- երբեմն օգտագործվում է դատարկ, նյութից զերծ տարած ժամանակի համար Էյնշտեյնի ընդհանուր հարաբերականության հավասարումների լուծումների անվանումը: Հոմանիշ - Էյնշտեյնի տիեզերք.
Էյնշտեյնի հավասարումները կապված են տարածություն-ժամանակի մետրի հետ (մետրական տենզոր էμν ) էներգիա-իմպուլս տենզորով։ Ընդհանուր առմամբ դրանք գրվում են այսպես
G μ ν + Λ g μ ν = 8 π G c 4 T μ ν , (\displaystyle G_(\mu \nu )+\Lambda g_(\mu \nu )=(8\pi G \over c^(4 ))T_(\mu \nu ))որտեղ է Էյնշտեյնի թենզորը Գμν-ը մետրիկ տենզորի և նրա մասնակի ածանցյալների որոշակի ֆունկցիան է, Ռ- սկալյար կորություն, Λ - տիեզերական հաստատուն, Տμν - նյութի էներգիա-իմպուլս տենզոր, π - թիվ pi, գ- լույսի արագությունը վակուումում, Գ- Նյուտոնի գրավիտացիոն հաստատունը.
Այս հավասարումների վակուումային լուծումները ստացվում են նյութի բացակայության դեպքում, այսինքն, երբ էներգիա-իմպուլս տենզորը տարածություն-ժամանակի դիտարկվող շրջանում նույնականորեն հավասար է զրոյի. Տմն = 0 . Հաճախ լամբդա տերմինը նույնպես ընդունվում է որպես զրո, հատկապես տեղական (ոչ տիեզերաբանական) լուծումներն ուսումնասիրելիս։ Այնուամենայնիվ, երբ դիտարկվում են ոչ զրոյական լամբդա տերմինով վակուումային լուծումներ ( լամբդա վակուում) առաջանում են այնպիսի կարևոր տիեզերաբանական մոդելներ, ինչպիսիք են Դե Սիտթերի մոդելը (Λ > 0) և հակադե Սիտթերի մոդելը (Λ):< 0 ).
Էյնշտեյնի հավասարումների չնչին վակուումային լուծումը հարթ Մինկովսկու տարածությունն է, այսինքն՝ հարաբերականության հատուկ տեսության մեջ դիտարկվող մետրիկը։
Էյնշտեյնի հավասարումների այլ վակուումային լուծումները ներառում են, բայց չեն սահմանափակվում հետևյալ դեպքերով.
- Միլնի տիեզերաբանական մոդելը (Էներգիայի զրոյական խտությամբ Ֆրիդմանի մետրիկի հատուկ դեպք)
- Շվարցշիլդի մետրիկ, որը նկարագրում է գնդաձև սիմետրիկ զանգվածի շուրջ երկրաչափությունը
- Kerr մետրիկ, որը նկարագրում է երկրաչափությունը պտտվող զանգվածի շուրջ
- Հարթ գրավիտացիոն ալիք (և այլ ալիքային լուծումներ)
Տիեզերք
Արտաքին տարածությունն ունի շատ ցածր խտություն և ճնշում և հանդիսանում է ֆիզիկական վակուումի լավագույն մոտարկումը: Սակայն տարածության վակուումն իրականում կատարյալ չէ, նույնիսկ միջաստղային տարածության մեջ, մեկ խորանարդ սանտիմետրում կան մի քանի ջրածնի ատոմներ.
Աստղերը, մոլորակները և արբանյակները իրենց մթնոլորտը պահում են գրավիտացիայի միջոցով, և որպես այդպիսին մթնոլորտը չունի հստակ սահմանված սահման. մթնոլորտային գազի խտությունը պարզապես նվազում է օբյեկտից հեռավորության հետ: Երկրի մթնոլորտային ճնշումը իջնում է մոտ 3,2×10−2 Պա 100 կմ բարձրության վրա՝ այսպես կոչված Կարման գծում, որը արտաքին տարածության հետ սահմանի ընդհանուր սահմանումն է։ Այս գծից դուրս գազի իզոտրոպ ճնշումը արագորեն դառնում է աննշան՝ համեմատած Արեգակի ճառագայթման ճնշման և արևային քամու դինամիկ ճնշման հետ, ուստի ճնշման որոշումը դառնում է դժվար մեկնաբանելը: Ջերմոսֆերան այս տիրույթում ունի ճնշման, ջերմաստիճանի և կազմի մեծ գրադիենտներ և խիստ փոփոխական է տիեզերական եղանակի պատճառով:
Մթնոլորտային խտությունը Կարման գծից առաջին մի քանի հարյուր կիլոմետրի ընթացքում դեռ բավարար է Երկրի արհեստական արբանյակների շարժմանը զգալի դիմադրություն ապահովելու համար: Արբանյակների մեծամասնությունը գործում է այս տարածաշրջանում, որը կոչվում է ցածր Երկրի ուղեծիր, և պետք է մի քանի օրը մեկ կրակեն իրենց շարժիչները՝ կայուն ուղեծիր պահպանելու համար:
Արտաքին տարածությունը լցված է մեծ թվով ֆոտոններով, այսպես կոչված տիեզերական միկրոալիքային ֆոնային ճառագայթմամբ, ինչպես նաև մեծ թվով մասունքային նեյտրինոներով, որոնք դեռևս չեն հայտնաբերվել։ Այս ճառագայթների ներկայիս ջերմաստիճանը մոտ 3 Կ է կամ −270 °C։
Վակուումային հետազոտության պատմություն
Վակուումի (դատարկության) գաղափարը բանավեճի առարկա է եղել հին հունական և հռոմեական փիլիսոփաների ժամանակներից: Ատոմիստներ - Լևկիպուսը (մ.թ.ա. մոտ 500 թ.), Դեմոկրիտը (մ.թ.ա. մոտ 460-370 թթ.), Էպիկուրոսը (մ.թ.ա. 341-270 թթ.), Լուկրեցիոսը (մ.թ.ա. մոտ 99-55 թթ.) և նրանց հետևորդները ենթադրում էին, որ այն ամենը, ինչ գոյություն ունի, ատոմներ են և դատարկություն: նրանց միջև, և առանց վակուումի շարժում չէր լինի, ատոմները չէին կարող շարժվել, եթե նրանց միջև դատարկ տարածություն չլիներ: Ստրատոն (մոտ 270 մ.թ.ա.) և շատ փիլիսոփաներ ավելի ուշ ժամանակներում կարծում էին, որ դատարկությունը կարող է «պինդ» լինել ( vacuum coacervatum) և «ցրված» (նյութի մասնիկների միջև ընկած տարածություններում, վակուումային տարածում).
Գերիկեի վակուումային պոմպը զգալիորեն կատարելագործվել է Ռոբերտ Բոյլի կողմից, ինչը նրան թույլ է տվել մի շարք փորձեր իրականացնել՝ պարզելու վակուումի հատկությունները և դրա ազդեցությունը տարբեր առարկաների վրա։ Բոյլը հայտնաբերեց, որ վակուումում փոքր կենդանիները սատկում են, կրակները մարում են, և ծուխը իջնում է (և հետևաբար այն նույնքան ազդում է գրավիտացիայից, որքան մյուս մարմինները): Բոյլը նաև պարզեց, որ մազանոթներում հեղուկի բարձրացումը նույնպես տեղի է ունենում վակուումում, և դրանով իսկ հերքեց այն ժամանակվա գերակշռող կարծիքը, որ օդի ճնշումը ներգրավված է այս երևույթի մեջ: Ընդհակառակը, վակուումում սիֆոնի միջով հեղուկի հոսքը դադարեց, ինչն ապացուցեց, որ այս երեւույթն առաջացել է մթնոլորտային ճնշումից։ Նա ցույց է տվել, որ քիմիական ռեակցիաների ժամանակ (օրինակ՝ կրաքարի հանգցումը), ինչպես նաև մարմինների փոխադարձ շփման ժամանակ ջերմությունն արտազատվում է վակուումում։
Ազդեցություն մարդկանց և կենդանիների վրա
Վակուումի ենթարկված մարդիկ և կենդանիները կորցնում են գիտակցությունը վայրկյանների ընթացքում և մահանում հիպոքսիայից մի քանի րոպեի ընթացքում, սակայն այս ախտանշանները հիմնականում նման չեն հանրաճանաչ մշակույթում և լրատվամիջոցներում ցուցադրված ախտանիշներին: Ճնշման նվազումը նվազեցնում է եռման կետը, որտեղ արյունը և մարմնի այլ հեղուկները պետք է եռանան, բայց արյան անոթների առաձգական ճնշումը թույլ չի տալիս, որ արյունը հասնի 37 ° C եռման կետին: Թեև արյունը չի եռում, սակայն դրա և մարմնի այլ հեղուկների ցածր ճնշման դեպքում գոյացող գազի պղպջակների ազդեցությունը, որը հայտնի է որպես էբուլիզմ (օդային էմֆիզեմա), լուրջ խնդիր է: Գազը կարող է ուռճացնել մարմինը երկու անգամ իր նորմալ չափով, սակայն հյուսվածքները բավական առաձգական են, որպեսզի կանխեն պատռումը: Էդեմը և էբուլիզմը կարելի է կանխել հատուկ թռիչքային կոստյում կրելով: Shuttle տիեզերագնացները կրում էին հատուկ էլաստիկ հագուստ, որը կոչվում էր Անձնակազմի բարձրության պաշտպանության կոստյում(CAPS), որը կանխում է էբուլիզմը 2 կՊա (15 մմ Hg) ավելի մեծ ճնշման դեպքում: Ջրի արագ գոլորշիացումը սառեցնում է մաշկը և լորձաթաղանթները մինչև 0 °C, հատկապես բերանի խոռոչում, սակայն դա մեծ վտանգ չի ներկայացնում։
Կենդանիների վրա իրականացված փորձերը ցույց են տալիս, որ մարմինը վակուումում գտնվելու 90 վայրկյանից հետո սովորաբար տեղի է ունենում մարմնի արագ և ամբողջական վերականգնում, սակայն վակուումում ավելի երկար մնալը մահացու է, իսկ վերակենդանացումը՝ ապարդյուն: Մարդկանց վրա վակուումի ազդեցության վերաբերյալ սահմանափակ տվյալներ կան (սովորաբար դա տեղի է ունեցել դժբախտ պատահարների ժամանակ), սակայն դրանք համահունչ են կենդանիների փորձարկումներից ստացված տվյալներին: Վերջույթները կարող են շատ ավելի երկար մնալ վակուումում, եթե շնչառությունը խանգարված չէ: Ռոբերտ Բոյլն առաջինն էր, ով ցույց տվեց, որ վակուումը մահացու է փոքր կենդանիների համար 1660 թվականին:
Չափում
Վակուումի աստիճանը որոշվում է համակարգում մնացած նյութի քանակով։ Վակուումը հիմնականում որոշվում է բացարձակ ճնշմամբ, և ամբողջական բնութագրումը պահանջում է լրացուցիչ պարամետրեր, ինչպիսիք են ջերմաստիճանը և քիմիական բաղադրությունը: Ամենակարևոր պարամետրերից մեկը մնացորդային գազերի միջին ազատ ուղին (MFP) է, որը ցույց է տալիս այն միջին հեռավորությունը, որը մասնիկը անցնում է իր ազատ ճանապարհի ընթացքում մի բախումից մյուսը: Եթե գազի խտությունը նվազում է, MFP-ն ավելանում է: Մթնոլորտային ճնշման դեպքում օդում MFP-ն շատ կարճ է՝ մոտ 70 նմ, իսկ 100 մՊա (~1×10−3 Torr) դեպքում օդի MFP-ն մոտ 100 մմ է: Հազվագյուտ գազի հատկությունները մեծապես փոխվում են, երբ միջին ազատ ուղին համեմատելի է դառնում այն նավի չափի հետ, որում գտնվում է գազը:
Վակուումը բաժանվում է միջակայքերի՝ ըստ այն հասնելու կամ չափելու համար պահանջվող տեխնոլոգիայի: Այս տիրույթները չունեն համընդհանուր ընդունված սահմանումներ, սակայն տիպիկ բաշխումն ունի հետևյալ տեսքը.
| Ճնշում () | Ճնշում (Pa) | |
|---|---|---|
| Մթնոլորտային ճնշում | 760 | 1,013×10 +5 |
| Ցածր վակուում | 760-ից մինչև 25 | 1×10 +5-ից մինչև 3.3×10 +3 |
| Միջին վակուում | 25-ից մինչև 1×10 −3 | 3,3×10 +3-ից մինչև 1,3×10 −1 |
| Բարձր վակուում | 1×10 -3-ից մինչև 1×10 -9 | 1,3×10 -1-ից մինչև 1,3×10 -7 |
| Գերբարձր վակուում | 1×10 -9-ից մինչև 1×10 -12 | 1,3×10 -7-ից մինչև 1,3×10 -10 |
| Ծայրահեղ վակուում | <1×10 −12 | <1,3×10 −10 |
| Տիեզերք | 1×10 -6-ից մինչև<3×10 −17 | 1,3×10 -4-ից մինչև<1,3×10 −15 |
| Բացարձակ վակուում | 0 | 0 |
Դիմում
Վակուումը օգտակար է բազմաթիվ գործընթացների համար և օգտագործվում է տարբեր սարքերում: Առաջին անգամ զանգվածային օգտագործվող ապրանքների համար այն օգտագործվել է շիկացած լամպերի մեջ՝ թելերը քիմիական քայքայումից պաշտպանելու համար: Վակուումով տրամադրվող նյութերի քիմիական իներտությունը նույնպես օգտակար է էլեկտրոնային ճառագայթով եռակցման, սառը եռակցման, վակուումային փաթեթավորման և վակուումային տապակման համար: Գերբարձր վակուումն օգտագործվում է ատոմային մաքուր ենթաշերտերը ուսումնասիրելիս, քանի որ միայն շատ բարձր վակուումը բավական երկար ժամանակ (րոպեից մինչև օրեր) մակերեսները մաքուր է պահում ատոմային մակարդակում: Բարձր և գերբարձր վակուումը վերացնում է օդի դիմադրությունը, ինչը թույլ է տալիս մասնիկների ճառագայթներին նստեցնել կամ հեռացնել նյութերը առանց աղտոտման: Այս սկզբունքի հիմքում ընկած է քիմիական գոլորշիների նստեցումը, վակուումային նստեցումը և չոր փորագրումը, որոնք օգտագործվում են կիսահաղորդչային և օպտիկական ծածկույթների արտադրության մեջ և մակերեսային քիմիայում: Կրճատված կոնվեկցիան ապահովում է ջերմամեկուսացում թերմոսներում: Բարձր վակուումը նվազեցնում է հեղուկի եռման կետը և նպաստում ցածր ջերմաստիճանի գազազերծմանը, որն օգտագործվում է սառեցման չորացման, սոսինձի պատրաստման, թորման, մետաղագործության և վակուումային մաքրման մեջ: Վակուումի էլեկտրական հատկությունները հնարավոր են դարձնում էլեկտրոնային մանրադիտակները և վակուումային խողովակները, ներառյալ կաթոդային ճառագայթների խողովակները: Վակուումային անջատիչները օգտագործվում են էլեկտրական անջատիչների մեջ: Վակուումային քայքայումը արդյունաբերական նշանակություն ունի պողպատի որոշակի դասերի կամ բարձր մաքրության նյութերի արտադրության համար: Օդի շփումը վերացնելը օգտակար է թռչող անիվի և ուլտրակենտրոնացման էներգիայի պահպանման համար:
Վակուումային շարժիչ մեքենաներ
Վակուումը սովորաբար օգտագործվում է ներծծում արտադրելու համար, որն ունի ավելի լայն կիրառություն: Newcomen-ի գոլորշու շարժիչը մխոցը վարելու համար ճնշման փոխարեն վակուում էր օգտագործում: 19-րդ դարում Իզամբարդ Բրունելի փորձարարական օդաճնշական երկաթուղու վրա վակուումն օգտագործվեց քարշի համար։ Վակուումային արգելակները ժամանակին լայնորեն օգտագործվում էին գնացքներում Մեծ Բրիտանիայում, բայց բացառությամբ ժառանգական երկաթուղիների, դրանք փոխարինվել են օդային արգելակներով:
Այս մակերեսային ջրհորի պոմպը նվազեցնում է մթնոլորտային ճնշումը իր սեփական պալատի ներսում: Մթնոլորտային վակուումը ընդլայնվում է դեպի ջրհոր և ստիպում ջուրը խողովակով հոսել դեպի պոմպ՝ նվազեցված ճնշումը հավասարեցնելու համար: Հողային խցիկով պոմպերն արդյունավետ են միայն մոտ 9 մետր խորության վրա՝ մթնոլորտային ճնշումը հավասարեցնող ջրի սյունակի ծանրության պատճառով:
Ներծծող բազմակի վակուումը կարող է օգտագործվել տրանսպորտային միջոցների օժանդակ սարքավորումները կառավարելու համար: Ամենահայտնի կիրառումը որպես վակուումային ուժեղացուցիչ է արգելակման հզորությունը բարձրացնելու համար: Վակուումը նախկինում օգտագործվել է Autovac դիմապակու մաքրիչի վակուումային կրիչներում և վառելիքի պոմպերում: Օդանավերի որոշ գործիքներ (վերաբերմունքի ցուցիչ և վերնագրի ցուցիչ) սովորաբար շահագործվում են վակուումով, որպես ապահովագրություն բոլոր (էլեկտրական) գործիքների խափանումից, քանի որ վաղ օդանավերը հաճախ չունեին էլեկտրական համակարգեր, և քանի որ վակուումի երկու հեշտ հասանելի աղբյուրներ կան: շարժվող ինքնաթիռը, շարժիչը և վենտուրին: Վակուումային ինդուկցիոն հալման ժամանակ օգտագործվում է էլեկտրամագնիսական ինդուկցիա վակուումում:
Կոնդենսատորում վակուումի պահպանումը կարևոր է գոլորշու տուրբինների արդյունավետ աշխատանքի համար: Այդ նպատակով օգտագործվում է գոլորշու ներարկիչ կամ հեղուկ օղակաձեւ պոմպ: Նորմալ վակուումը, որը պահպանվում է կոնդենսատորի գոլորշու ծավալում տուրբինի արտանետման ժամանակ (նաև կոչվում է տուրբինի կոնդենսատորի ճնշում) գտնվում է 5-ից 15 կՊա միջակայքում՝ կախված կոնդենսատորի տեսակից և շրջակա միջավայրի պայմաններից:
Գազազերծում
Գոլորշիացումն ու սուբլիմացիան վակուումում կոչվում է գազազերծում։ Բոլոր նյութերը՝ պինդ թե հեղուկ, թեթևակի գոլորշիանում են (գազազերծումը տեղի է ունենում), և դրանց գազազերծումն անհրաժեշտ է, երբ վակուումային ճնշումը իջնում է նրանց գոլորշիների ճնշումից ցածր։ Վակուումում լողացող նյութերն ունեն նույն ազդեցությունը, ինչ արտահոսքը և կարող են սահմանափակել հասանելի վակուումը: Գոլորշիացման արտադրանքները կարող են խտանալ մոտակա ավելի սառը մակերեսների վրա, ինչը կարող է խնդիրներ առաջացնել, եթե դրանք ծածկեն օպտիկական գործիքները կամ արձագանքեն այլ նյութերի հետ: Սա մեծ դժվարություններ է առաջացնում տիեզերքում թռչելիս, որտեղ մթնեցված աստղադիտակը կամ արևային մարտկոցը կարող է շեղել թանկարժեք գործողությունը:
Վակուումային համակարգերում ամենատարածված թափոնները խցիկի նյութերով կլանված ջուրն է: Դրա գումարը կարող է կրճատվել՝ չորացնելով կամ տաքացնելով խցիկը և հեռացնելով ներծծող նյութերը: Գոլորշիացող ջուրը կարող է խտանալ պտտվող պոմպերի յուղի մեջ և կտրուկ նվազեցնել դրանց աշխատանքային արագությունը, եթե գազի բալաստ սարքը չօգտագործվի: Բարձր վակուումային համակարգերը պետք է մաքուր պահվեն և զերծ լինեն օրգանական նյութերից, որպեսզի նվազագույնի հասցվի արտահոսքը:
Գերբարձր վակուումային համակարգերը սովորաբար եռացվում են, գերադասելի է վակուումի տակ, բոլոր նյութերի գոլորշիացումը ժամանակավորապես մեծացնելու և դրանք գոլորշիացնելու համար: Երբ գոլորշիացված նյութերի մեծ մասը գոլորշիացվի և հեռացվի, համակարգը կարող է սառեցնել՝ նվազեցնելու նյութերի գոլորշիացումը և շահագործման ընթացքում գազի մնացորդային արտանետումները նվազագույնի հասցնելու համար: Որոշ համակարգեր սառչում են սենյակային ջերմաստիճանից զգալիորեն ցածր՝ օգտագործելով հեղուկ ազոտ՝ ամբողջությամբ դադարեցնելու գազի մնացորդային էվոլյուցիան և միևնույն ժամանակ ստեղծելու համակարգի կրիոգեն պոմպային ազդեցությունը:
Պոմպային և մթնոլորտային ճնշում
Գազերն ընդհանրապես չեն կարող դուրս մղվել, ուստի վակուում չի կարող ստեղծվել ներծծման միջոցով: Ներծծումը կարող է տարածվել և նոսրացնել վակուումը, ինչը թույլ է տալիս բարձր ճնշմանը գազեր ներմուծել դրա մեջ, բայց վակուումը պետք է ստեղծվի մինչև ներծծումը տեղի ունենա: Արհեստական վակուում ստեղծելու ամենադյուրին ճանապարհը խցիկի ծավալն ընդլայնելն է։ Օրինակ, դիֆրագմայի մկանը ընդլայնում է կրծքավանդակի խոռոչը, ինչը հանգեցնում է թոքերի հզորության ավելացմանը: Այս ընդլայնումը նվազեցնում է ճնշումը և ստեղծում է ցածր վակուում, որը շուտով լցվում է մթնոլորտային ճնշման պատճառով պարտադրված օդով։
Խցիկի դատարկումը անվերջ շարունակելու համար, առանց դրա ընդլայնման անընդհատ օգտագործման, դրա վակուումային խցիկը կարող է բազմիցս փակվել, մաքրվել, նորից ընդլայնվել և այլն: Սա դրական տեղաշարժի (գազի փոխանցման) պոմպերի շահագործման սկզբունքն է, ինչպիսին է ձեռքով ջրի պոմպը: Պոմպի ներսում մեխանիզմը ընդլայնում է փակ փակ խոռոչը՝ վակուում ստեղծելու համար: Ճնշման տարբերության պատճառով խցիկի հեղուկի մի մասը (կամ լավ, մեր օրինակում) մղվում է պոմպի փոքր խոռոչի մեջ: Այնուհետև պոմպի խոռոչը փակվում է խցիկի վրա, բացվում է մթնոլորտի համար և սեղմվում է իր նվազագույն չափի վրա՝ դուրս մղելով հեղուկը:
Վերոնշյալ բացատրությունը տարհանման պարզ ներածություն է և չի ներկայացնում օգտագործվող պոմպերի տեսականին: Մշակվել են դրական տեղաշարժի պոմպերի բազմաթիվ տարբերակներ, և շատ պոմպերի նախագծեր հիմնված են արմատապես տարբեր սկզբունքների վրա: Իմպուլսային փոխանցման պոմպերը, որոնք որոշ նմանություններ ունեն ավելի բարձր ճնշման դեպքում օգտագործվող դինամիկ պոմպերի հետ, կարող են ապահովել շատ ավելի բարձր որակի վակուում, քան դրական տեղաշարժով պոմպերը: Գազի միացնող պոմպերը, որոնք ունակ են գազերը պինդ կամ կլանված վիճակում որսալու, հաճախ գործում են առանց շարժվող մասերի, առանց կնիքների և առանց թրթռումների։ Այս պոմպերից ոչ մեկը ունիվերսալ չէ. յուրաքանչյուր տեսակ ունի կիրառման լուրջ սահմանափակումներ: Յուրաքանչյուր ոք դժվարությամբ է դուրս մղում ցածր զանգվածային գազերը, հատկապես ջրածինը, հելիումը և նեոնը:
Վակուում(անգլերեն) վակուում, գերման Վակուում, լատ. վակուուս- դատարկ) բազմիմաստ ֆիզիկական տերմին է, որը, կախված համատեքստից, կարող է նշանակել.
- Գազի հազվագյուտ վիճակ. Նման վակուումը կոչվում է մասնակի. Կան բարձր, միջին և ցածր վակուումներ։ Բարձրկոչվում է վակուում, որի դեպքում գազի մոլեկուլների ազատ ուղին գերազանցում է գազ պարունակող նավի գծային չափերը. եթե գազի մոլեկուլների ազատ ուղին և նավի գծային չափերը համաչափ արժեքներ են, ապա վակուում է կոչվում. միջինև եթե գազի մոլեկուլների ազատ ուղին փոքր է նավի գծային չափերից, ցածր.
- Իդեալականացված աբստրակցիա, մի տարածություն, որտեղ ընդհանրապես նյութ չկա։ Նման վակուումը կոչվում է իդեալական:
- Ֆիզիկական համակարգ առանց մասնիկների և դաշտային քվանտաների: Սա քվանտային համակարգի ամենացածր վիճակն է, որի էներգիան նվազագույն է, որը կոչվում է վակուումային վիճակ: Համաձայն անորոշության սկզբունքի՝ նման վակուումի համար ֆիզիկական մեծությունների որոշակի մասը չի կարող ճշգրիտ որոշվել։
Մասնակի վակուումը լայն տարածում գտավ արդյունաբերության մեջ՝ 20-րդ դարի սկզբին շիկացած և վակուումային լամպերի հայտնագործմամբ։ Զգալի թվով ֆիզիկական փորձեր են իրականացվում վակուումում. օդի կամ այլ կազմի մթնոլորտի բացակայությունը հնարավորություն է տալիս նվազեցնել անցանկալի կողմնակի ազդեցությունները ուսումնասիրության օբյեկտի վրա: Վակուումի ուսումնասիրության նկատմամբ հետաքրքրությունը մեծացավ այն բանից հետո, երբ մարդը մուտք գործեց տիեզերք: Մերձերկրային և միջմոլորակային տարածությունը շատ հազվադեպ գազ է, որը կարելի է բնութագրել որպես վակուում:
Վակուումային հետազոտությունը սկսվել է 17-րդ դարի կեսերին իտալացի ֆիզիկոս Էվանգելիստա Տորիչելիի կողմից «Տորիչելի դատարկության» (ru) ստեղծմամբ:
Տեխնիկական վակուում
Տեխնիկականկոչվում է մասնակի վակուում, որը ձևավորվում է ցամաքային պայմաններում: Այս դեպքում օգտագործվող գործիքների հավաքածուն կոչվում է վակուումային տեխնոլոգիա։ Վակուումային տեխնոլոգիայի գործիքների շարքում հիմնական տեղը զբաղեցնում են տարբեր դիզայնի և շահագործման սկզբունքների պոմպերը։
Ստեղծելու հիմնական գործիքը ցածր վակուումդրական տեղաշարժի պոմպ է: Նրա գործունեության սկզբունքն է ցիկլային կերպով ավելացնել և նվազեցնել գազի ծավալը նավի մեջ: Ընդարձակման փուլում՝ ներծծման, անոթի գազը ընդլայնվում է՝ լրացնելով լրացուցիչ ծավալ, որն այնուհետև կտրվում և դուրս է մղվում:
Ստեղծագործություն բարձրԵվ ծայրահեղ բարձր վակուումբարդ տեխնիկական խնդիր է։ Երբ վակուումային խցիկում գազի մոլեկուլները քիչ են, խնդիրներ են առաջանում՝ կապված խցիկի նավթի մոլեկուլներով աղտոտման, միջադիրի անբավարար խտության, անոթների պատերի գազազերծման և այլնի հետ:
Բարձր վակուում ստանալու համար օգտագործվում են դիֆուզիոն պոմպեր։ Այս տեսակի պոմպերի շահագործման սկզբունքը հիմնված է այն փաստի վրա, որ գազի մոլեկուլները չեն ցրվում հոսքի դեմ: Հետևաբար, դիֆուզիոն պոմպերն օգտագործում են շիթ՝ վակուումային խցիկից գազի մոլեկուլներ քաշելու համար:
Թակարդային պոմպերը թույլ են տալիս հասնել նույնիսկ ավելի բարձր վակուումի: Նրանց գործողությունը կարող է հիմնված լինել տարբեր ֆիզիկական և քիմիական սկզբունքների վրա. կրիոգեն պոմպերն օգտագործում են ցածր ջերմաստիճան՝ անոթում գազը խտացնելու համար, քիմիական պոմպերում գազի մոլեկուլները կապված են քիմիական նյութերի հետ կամ կլանվում են մակերեսի վրա, իոնացման պոմպերում գազը վակուումային խցիկում իոնացված է։ և արդյունահանվել՝ օգտագործելով ուժեղ էլեկտրական դաշտեր:
Իրական վակուումային կայանքները բաղկացած են տարբեր տեսակի պոմպերի համակցումից, որոնցից յուրաքանչյուրը կատարում է իր առաջադրանքը և գործում է վակուումային խցիկում գազի սակավության տարբեր աստիճաններում: Վակուումային տեխնոլոգիայի գործիքները ներառում են նաև տարբեր չափիչ գործիքներ, որոնք օգտագործվում են ստեղծված վակուումի որակը որոշելու համար:
Ֆիզիկական վակուում
Ֆիզիկական վակուումկոչվում է տարածության իդեալականացված հայեցակարգ, որտեղ մասնիկներ չկան: Անհնար է նման վիճակի հասնել փորձարարական եղանակով, կան նույնիսկ չափազանց հազվադեպ միջգալակտիկական տարածության մեջ առանձին ատոմներ և իոններ: Ֆիզիկական վակուումի վերացական հասկացությունն օգտագործվում է, օրինակ, լույսի արագությունը սահմանելու համար, որպես դատարկության մեջ առանց մասնիկների էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության տարածման արագություն։
Չնայած կարող է թվալ, որ դատարկ տարածությունը ամենապարզ ֆիզիկական համակարգն է, իրականում դա այդպես չէ: Քվանտային մեխանիկայի զարգացումը ցույց է տվել, որ վակուումը բարդ ֆիզիկական օբյեկտ է, որի հատկությունները դեռ ամբողջությամբ պարզված չեն։
Նախ՝ վակուում, որը գուցե լցված է էլեկտրամագնիսական դաշտի զրոյական կետի տատանումներով։ Էլեկտրամագնիսական դաշտի քվանտները ֆոտոններ են՝ բոզոններին պատկանող մասնիկներ։ Ցածր վիճակում բոզոնների ալիքային ֆունկցիաները զրոյական չեն։ Բոզոնի դաշտը քվանտավորելիս դրանք դիտվում են որպես ներդաշնակ տատանվողներ։ Հիմնական վիճակում բոզոնները ոչ միայն ունեն ոչ զրոյական ալիքային ֆունկցիա, այլև ոչ զրոյական էներգիա։ Այսպիսով, վակուումը լցված է էլեկտրամագնիսական և այլ բոզոնային դաշտերի տարբեր ռեժիմների զրոյական տատանումներով՝ բոլոր հնարավոր ալիքային վեկտորներով, տարածման ուղղություններով և բևեռացումներով։ Այս ռեժիմներից յուրաքանչյուրն ունի էներգիա, որտեղ է ամփոփ Պլանկի հաստատունը, հա՞: - ցիկլային հաճախականություն. Սա առաջացնում է վակուումային էներգիայի խնդիր, քանի որ կան անսահման շատ նման ռեժիմներ, և ընդհանուր վակուումային էներգիան պետք է լինի անսահման։ Այնուամենայնիվ, ֆիզիկական փորձերը, մասնավորապես Գառան տեղաշարժը և Կազիմիրի էֆեկտը ցույց են տալիս, որ էլեկտրամագնիսական դաշտի զրոյական կետի տատանումները իրականություն են, և որ դրանք կարող են փոխազդել այլ ֆիզիկական օբյեկտների հետ:
Մեկ այլ գաղափար, որն ավելի է բարդացնում վակուումի ըմբռնումը, կապված է Դիրակի հավասարման հետ, որը նկարագրում է հարաբերական քվանտային մասնիկը, մասնավորապես, ազատ էլեկտրոնի Դիրակի հավասարումը ունի չորս լուծում, որոնցից երկուսը բացասական էներգիայով են: Պոլ Դիրակը ցույց տվեց, որ օգտագործելով լիցքի խոնարհման գործողությունը, այս անջատումները կարող են մեկնաբանվել որպես դրական էներգիայով անջատումներ, բայց հակառակ, դրական լիցք ունեցող մասնիկի համար, այսինքն. էլեկտրոնային հակամասնիկներ. Նման հակամասնիկը հայտնաբերվել է փորձարարական ճանապարհով և կոչվել է պոզիտրոն։
Դիրակի մեկնաբանությունը նման է կիսահաղորդիչների թերիայի մասնիկներին՝ էլեկտրոններին, իսկ հակամասնիկները՝ պոզիտրոնները, նման են վակուումին համապատասխանող անցքերին, և բոլոր էներգետիկ վիճակները լցված են պոզիտրոնը համապատասխանում է չլրացված վիճակին։
Քվանտային էլեկտրադինամիկայի մեջ մասնիկների փոխազդեցությունները դիտարկելիս հաճախ անհրաժեշտ է հաշվի առնել վակուումից վիրտուալ էլեկտրոն-պոզիտրոն զույգերի ձևավորման հնարավորությունը։
Վակուում, չափազանց ցածր ճնշման տարածք: Միջաստղային տարածությունը բարձր վակուում է, որի միջին խտությունը 1 խորանարդ սանտիմետրից 1 մոլեկուլից պակաս է: Մարդու կողմից ստեղծված ամենահազվագյուտ վակուումը 100000 մոլեկուլից պակաս է մեկ խորանարդ սանտիմետրում: Ենթադրվում է, որ առաջին վակուումը ստեղծվել է սնդիկի ԲԱՐՈՄԵՏՐում՝ Եվանգելիստա Տորիչելլիի կողմից: 1650 թվականին գերմանացի ֆիզիկոս Օտտո ֆոն Գերիկեն (1602-86) հայտնագործեց առաջին վակուումային պոմպը։ Վակուումը լայնորեն օգտագործվում է գիտական հետազոտությունների և արդյունաբերության մեջ: Նման կիրառման օրինակ է սննդամթերքի վակուումային փաթեթավորումը։ 22
Դասական ֆիզիկայում օգտագործվում է դատարկ տարածություն հասկացությունը, այսինքն՝ որոշակի տարածական շրջան, որտեղ չկան մասնիկներ և դաշտեր։ Նման դատարկ տարածությունը կարելի է համարել դասական ֆիզիկայի վակուումի հոմանիշ։ Քվանտային տեսության մեջ վակուումը սահմանվում է որպես ամենացածր էներգիայի վիճակ, որտեղ բոլոր իրական մասնիկները բացակայում են: Ստացվում է, որ այս պետությունն առանց դաշտի պետություն չէ։ Չգոյությունը, քանի որ թե՛ մասնիկների, թե՛ դաշտերի բացակայությունն անհնար է։ Վակուումում ֆիզիկական գործընթացները տեղի են ունենում ոչ իրական, այլ կարճատև (վիրտուալ) դաշտային քվանտների մասնակցությամբ։ Վակուումում զրո են միայն ֆիզիկական մեծությունների միջին արժեքները՝ դաշտի ուժգնությունը, էլեկտրոնների քանակը և այլն։ Այս արժեքներն իրենք անընդհատ տատանվում են (տատանվում) այս միջին արժեքների շուրջ։ Տատանումների պատճառը քվանտ-մեխանիկական անորոշության կապն է, ըստ որի էներգիայի արժեքի անորոշությունն ավելի մեծ է, որքան կարճ է դրա չափման ժամանակը։ 23
Ֆիզիկական վակուում
Ներկայումս ֆիզիկայում ձևավորվում է գիտական հետազոտությունների սկզբունքորեն նոր ուղղություն՝ կապված ֆիզիկական վակուումի հատկությունների և հնարավորությունների ուսումնասիրության հետ։ Գիտական այս ուղղությունը դառնում է գերիշխող, և կիրառական առումներով կարող է հանգեցնել բեկումնային տեխնոլոգիաների էներգետիկայի, էլեկտրոնիկայի և էկոլոգիայի բնագավառներում։ 24
Աշխարհի ներկայիս պատկերում վակուումի դերն ու տեղը հասկանալու համար մենք կփորձենք գնահատել, թե ինչպես են վակուումային նյութը և նյութը փոխկապակցված մեր աշխարհում:
Այս առումով հետաքրքիր է Յա.Բ. Զելդովիչ. 25
«Տիեզերքը հսկայական է. Երկրից Արեգակ հեռավորությունը 150 միլիոն կիլոմետր է։ Արեգակնային համակարգից Գալակտիկայի կենտրոն հեռավորությունը 2 միլիարդ անգամ ավելի մեծ է, քան Երկրից Արեգակ հեռավորությունը: Իր հերթին, դիտելի Տիեզերքի չափը միլիոն անգամ ավելի մեծ է, քան Արևից մինչև մեր Գալակտիկայի կենտրոն հեռավորությունը: Եվ այս ամբողջ հսկայական տարածությունը լցված է աներևակայելի մեծ քանակությամբ նյութով։ 26
Երկրի զանգվածը 5,97·10 27 գ-ից ավելի է, սա այնքան մեծ արժեք է, որ նույնիսկ դժվար է հասկանալ: Արեգակի զանգվածը 333 հազար անգամ մեծ է։ Միայն Տիեզերքի դիտելի հատվածում ընդհանուր զանգվածը կազմում է մոտ տասը դեպի Արեգակի զանգվածի 22-րդ ուժը: Տիեզերքի ողջ անսահման ընդարձակությունը և դրա մեջ եղած նյութի առասպելական քանակությունը ապշեցնում են երևակայությունը»: 27
Մյուս կողմից, պինդ մարմնի մաս կազմող ատոմը շատ անգամ փոքր է, քան մեզ հայտնի ցանկացած առարկա, բայց շատ անգամ ավելի մեծ է, քան ատոմի կենտրոնում գտնվող միջուկը: Ատոմի գրեթե ամբողջ նյութը կենտրոնացած է միջուկում։ Եթե ատոմը մեծացնեք այնպես, որ միջուկն ունենա կակաչի հատիկի չափ, ապա ատոմի չափը կհասնի մի քանի տասնյակ մետրի։ Միջուկից տասնյակ մետր հեռավորության վրա կլինեն բազմակի մեծացած էլեկտրոններ, որոնք դեռևս դժվար է տեսնել աչքով՝ իրենց փոքր չափերի պատճառով։ Իսկ էլեկտրոնների և միջուկի միջև կմնա մի հսկայական տարածություն, որը լցված չէ նյութով։ Բայց սա դատարկ տարածություն չէ, այլ նյութի հատուկ տեսակ, որը ֆիզիկոսներն անվանել են ֆիզիկական վակուում։ 28
Հենց «ֆիզիկական վակուում» հասկացությունը գիտության մեջ ի հայտ եկավ այն բանի հետևանքով, որ վակուումը դատարկություն չէ, «ոչինչ» չէ։ Այն ներկայացնում է չափազանց նշանակալի «ինչ-որ բան», որը ծնում է աշխարհում ամեն ինչ և սահմանում է այն նյութի հատկությունները, որոնցից կառուցված է շրջապատող աշխարհը: Պարզվում է, որ նույնիսկ պինդ և զանգվածային օբյեկտի ներսում վակուումը անչափ ավելի շատ տարածություն է զբաղեցնում, քան նյութը: Այսպիսով, մենք գալիս ենք այն եզրակացության, որ նյութը ամենահազվագյուտ բացառությունն է վակուումի նյութով լցված հսկայական տարածության մեջ։ Գազային միջավայրում նման ասիմետրիան էլ ավելի արտահայտված է, էլ չեմ խոսում տարածության մեջ, որտեղ նյութի առկայությունը ավելի շատ բացառություն է, քան կանոն։ Կարելի է տեսնել, թե որքան ապշեցուցիչ է վակուումային նյութի քանակը Տիեզերքում՝ համեմատած նույնիսկ նրա մեջ եղած նյութի առասպելական մեծ քանակի հետ: Ներկայումս գիտնականներն արդեն գիտեն, որ նյութն իր ծագման պատճառով է վակուումի նյութական նյութին, և նյութի բոլոր հատկությունները որոշվում են ֆիզիկական վակուումի հատկություններով: 29
Գիտությունն ավելի խորն է թափանցում վակուումի էության մեջ։ Բացահայտվում է վակուումի հիմնարար դերը նյութական աշխարհի օրենքների ձևավորման գործում։ Այլևս զարմանալի չէ, որ որոշ գիտնականներ պնդում են, որ «ամեն ինչ վակուումից է, և մեզ շրջապատող ամեն ինչ վակուում է»։ Ֆիզիկան, բեկում մտցնելով վակուումի էությունը նկարագրելու հարցում, սահմանել է դրա գործնական կիրառման պայմանները բազմաթիվ խնդիրների, այդ թվում՝ էներգետիկ և բնապահպանական խնդիրների լուծման համար։ երեսուն
Նոբելյան մրցանակակիր Ռ. Ֆեյնմանի և Ջ. Ուիլերի հաշվարկների համաձայն՝ վակուումի էներգետիկ պոտենցիալն այնքան ահռելի է, որ «սովորական լամպի ծավալում պարունակվող վակուումում կա այնքան մեծ քանակությամբ էներգիա, որ կարող է լինել. բավական է եռացնել Երկրի բոլոր օվկիանոսները»։ Սակայն մինչ այժմ նյութից էներգիա ստանալու ավանդական սխեման մնում է ոչ միայն գերիշխող, այլ նույնիսկ համարվում է միակ հնարավորը։ Շրջակա միջավայրը դեռ համառորեն շարունակում է ընկալվել որպես նյութ, որն այնքան քիչ է, մոռանալով վակուումի մասին, որն այնքան շատ է։ Հենց այս հին «նյութական» մոտեցումն է հանգեցրել նրան, որ մարդկությունը, բառիս բուն իմաստով լողալով էներգիայի մեջ, զգում է էներգետիկ սով: 31
Նոր «վակուումային» մոտեցումը բխում է նրանից, որ շրջակա տարածքը՝ ֆիզիկական վակուումը, էներգիայի փոխակերպման համակարգի անբաժանելի մասն է։ Միաժամանակ վակուումային էներգիա ստանալու հնարավորությունը բնական բացատրություն է գտնում առանց ֆիզիկական օրենքներից շեղվելու։ Ճանապարհ է բացվում էներգիայի ավելցուկային հաշվեկշռով էներգիայի կայաններ ստեղծելու համար, որոնցում ստացված էներգիան գերազանցում է էներգիայի առաջնային աղբյուրի ծախսած էներգիան: Էներգետիկ կայանքները, որոնց էներգիայի ավելցուկային հաշվեկշիռը կա, կկարողանա մուտք գործել դեպի Բնության կողմից կուտակված հսկայական վակուումային էներգիա: 32
Ինչ է պատահել վակուում? Այս հարցին սովորաբար պատասխանում են՝ «հազվադեպ օդով տարածություն» կամ «տարածություն նավի ներսում, որտեղից օդը դուրս է մղվել»։ Բայց արդյո՞ք հազվագյուտության յուրաքանչյուր աստիճան վակուում է և արդյոք վակուումը որևէ կապ ունի դրա հետ:
Վակուումի էմպիրիկ ուսումնասիրության որոշ նախադրյալներ գոյություն են ունեցել դեռևս հին ժամանակներում։ Հին հունական մեխանիկները ստեղծեցին տարբեր տեխնիկական սարքեր՝ հիմնվելով օդի սակավության վրա: Օրինակ՝ ջրի պոմպերը, որոնք աշխատում էին մխոցի տակ վակուում ստեղծելով, հայտնի էին դեռևս Արիստոտելի ժամանակներում։ Վակուումի էմպիրիկ ուսումնասիրությունը սկսվել է միայն 17-րդ դարում՝ Վերածննդի դարաշրջանի ավարտով և նոր ժամանակների գիտական հեղափոխության սկզբով։ Այդ ժամանակ արդեն վաղուց հայտնի էր, որ ներծծող պոմպերը կարող են ջուրը բարձրացնել 10 մետրից ոչ ավելի բարձրության վրա:
Գործնականում շատ հազվադեպ գազը կոչվում է տեխնիկական վակուում: Մակրոսկոպիկ ծավալներում իդեալական վակուումը գործնականում անհասանելի է, քանի որ վերջավոր ջերմաստիճանում բոլոր նյութերն ունեն ոչ զրոյական հագեցած գոլորշիների խտություն: Բացի այդ, շատ նյութեր (ներառյալ հաստ մետաղը, ապակին և այլ անոթների պատերը) թույլ են տալիս գազերի միջով անցնել: Մանրադիտակային ծավալներում, սակայն, իդեալական վակուումի հասնելը սկզբունքորեն հնարավոր է։
Խստորեն ասած, տեխնիկական վակուումը գազ է նավի կամ խողովակաշարի մեջ, որի ճնշումը ավելի ցածր է, քան շրջակա մթնոլորտում: Սովորաբար, մթնոլորտային օդի և բարձր վակուումային պոմպի միջև կա, այսպես կոչված, առջևի վակուումային պոմպ, որը ստեղծում է նախնական վակուում, հետևաբար ցածր վակուումը հաճախ անվանում են առաջ վակուում: Խցիկում ճնշման հետագա նվազման դեպքում գազի մոլեկուլների միջին ազատ ուղին մեծանում է: Այս դեպքում գազի մոլեկուլները շատ ավելի հաճախ են բախվում պատերին, քան միմյանց։ Այս դեպքում խոսում են բարձր վակուումի մասին։ Որոշ բյուրեղների միկրոսկոպիկ ծակոտիներում բարձր վակուում է ձեռք բերվում արդեն մթնոլորտային ճնշման դեպքում, քանի որ ծակոտիի տրամագիծը շատ ավելի փոքր է, քան մոլեկուլի ազատ ուղին:
Արտաքին տարածությունն ունի շատ ցածր խտություն և ճնշում, և դա ֆիզիկական վակուումի ամենամոտ մերձավորությունն է: Սակայն տարածության վակուումն իրականում կատարյալ չէ, նույնիսկ միջաստղային տարածության մեջ, մեկ խորանարդ սանտիմետրում կան մի քանի ջրածնի ատոմներ.
Իսկապես, ենթադրենք, որ օդը մխոցում հազվադեպ է 10000 անգամ՝ համեմատած նրա խտության նորմալ մթնոլորտային ճնշման դեպքում, այսինքն՝ մխոցի ներսում ճնշումը 0,076 մմ է։ rt. Արվեստ.
Արդյո՞ք բալոնում վակուում կլինի: Եվ կարո՞ղ ենք շարունակել ենթադրել, որ մխոցում վակուում կա, եթե այս մխոցը բարձրացվի երկրի մակերևույթից 100 կմ բարձրության վրա, որտեղ օդի ճնշումը կազմում է ընդամենը 0,007 մմ: rt. Արվեստ. Իրոք, այս դեպքում մխոցի ներսում օդի խտությունը կդառնա 10 անգամ ավելի, քան դրսում: Այդ դեպքում որտե՞ղ կլինի վակուումը` բալոնի ներսում, թե դրսում:
Ժամանակակից ֆիզիկան վակուումը կապում է ոչ թե նավի ներսում կամ դրսում ճնշման քանակի, այլ դրա ներսում գազի մոլեկուլների ազատ ուղու հետ: Գազի մոլեկուլները գտնվում են շարունակական քաոսային ջերմային շարժման մեջ. սենյակային ջերմաստիճանում օդի մոլեկուլների ջերմային շարժման արագությունը մոտավորապես 450 մ/վ է, այսինքն՝ մոտենում է արագությանը։ Շարժվելով բոլոր ուղղություններով՝ մոլեկուլներն անընդհատ բախվում են միմյանց։ Որքան ավելի խիտ է օդը, այնքան ավելի շատ մոլեկուլներ կան միավորի ծավալում, և այնքան ավելի հաճախ են մոլեկուլները բախվում:
Եթե օդն ավելի բարակ է, մոլեկուլները ավելի քիչ են բախվելու: Միջին հաշվով, նրանք ստիպված կլինեն ավելի երկար թռչել երկու բախումների միջև, ինչը կոչվում է միջին ազատ ուղի:
Ֆիզիկական տեսանկյունից վակուումը հազվադեպություն է, որի դեպքում միջին ազատ ուղին միջինում ավելի մեծ է, քան նավի չափը: Երբ վակուումային անոթում մոլեկուլների բախումները հազվադեպ են լինում, մոլեկուլների մեծ մասը անոթի մի պատից մյուսը շարժվելիս չի հանդիպի այլ մոլեկուլների:
Վակուումը լավ ջերմամեկուսիչ է; Ջերմային էներգիայի փոխանցումը դրանում տեղի է ունենում միայն ջերմային ճառագայթման շնորհիվ, բացառվում են կոնվեկցիան և ջերմային հաղորդունակությունը։ Այս հատկությունը օգտագործվում է ջերմամեկուսացման համար թերմոսներում, որը բաղկացած է կրկնակի պատերով կոնտեյներից, որի միջև տարածությունը տարհանված է։
